48V RSG Systeme - Hochschule Konstanz · 2020. 8. 4. · Hochschule Konstanz Kennfelder 19 in Anlehnung an Liebl, et al., 2014, S. 334 Die Auf-und Ablast-Kennfelder sind Geschwindigkeitsabhängig

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Hochschule KonstanzFakultät Elektrotechnikund Informationstechnik

Markus Pauly, Moritz Schirmer Sommersemester 2020 – Vorlesung Bordnetze moderner Kraftfahrzeuge

48V RSG Systeme Funktion und Marktübersicht

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Ablauf

- Definition und Aufbau des RSG- Funktionen des RSG- Rentabilität- Aktuelle Marktübersicht- Fazit

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Definition

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Riemen Starter Generator

- Verwendung in Micro/Mild-Hybrid- 12V oder 48V

Quelle: Schaeffler Symposium

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Hybridtopologie

Beispiel:- P0 (Tausch Drehstromgenerator/Licht-Maschine gegen RSG)

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48 Volt

12 Volt

Quelle: „Vorlesung Bordnetze moderner Kraftfahrzeuge“ – Rebholz 2020

48 Volt

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Hybridtopologie

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Beispiel:- P4 (RSG)

Quelle: „Vorlesung Bordnetze moderner Kraftfahrzeuge“ – Rebholz 2020

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Netzaufbau

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48 V Batterie:Bis zu 25 Ah Kapazität

Quelle: ZVEI

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Welche der beiden E-Maschinen ist der RSG?

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Quelle: Media.Daimler Quelle: A-I-Shop

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Der RSG

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- Merkmale- Motor Art: Synchronmaschine oder Asynchronmaschine- Kühlung: Luft oder Wasser gekühlt- Gewicht: ~Lichtmaschine- Leistung (in/out): ~11,5-16kW (48Volt)

~2,2kW (12Volt)- Maximale Leistung in (elektr. Rekuperation): 11,5-16 kW- Maximal Leistung out (mech. Boost): 9,7-14 kW

- Spitzendrehmoment: 70-150Nm- Kat1 - Bordnetz Komponente (nimmt & gibt)

Quelle: Bordnetze-HRDaimler AGBoschContinentalSchaeffler3

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Interner Aufbau des RSG

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Eigentlich: 12/48V Komponente

Intern:>30V AC, HV Komponente

Quelle: Bordnetze-HR

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Entkopplungsspanner

http://schaeffler-events.com/kolloquium/lecture/h2/index.html

Je nachdem, welche Funktion der RSG übernimmt (Starten, Boosten oder Rekuperieren) wechselt sich Zug und Leerturm ab und die Spannerfunktion wird an unterschiedlichen Abschnittendes Riemens benötigt. Der Entkopplungsspanner kann hierbeidie Position wechseln und für die jeweilige Funktion die optimaleArbeitsposition ermöglichen. Außerdem warden Drehzahlamplituden durch den Entkopplungsspanner reduziert, was sich günstig für die Effizienz und das Fahrgefühl auswirkt. Die links angefügten Grafiken zeigen den Entkopplungsspannerin den verschienden Arbeitspositionen. Die untenstehendeGrafik zeigt die reduzierung der Drehzahl Amplituden.

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Funktionen

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Starter- Kaltstart (falls möglich, ansonsten zusätzlicher Starter)- Analog Start/Stopp- Im Segelbetrieb: Freilauf Motor „aus“

Generator / “Lichtmaschine“ / Rekuperieren- Bremsenergie wird in elektrische Energie umgewandelt- Erzeugung der Gesamtenergie für das 12V & 48V NetzZudem wird aufgrund der höheren Ladeleistung der 48-Volt-Batterie eine deutlich höhere Rekuperation der Bremsenergie im Vergleich zur 12-Volt-Bleibatterie erreicht

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Funktionen

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E-Booster/Elektrischer Antrieb:- Anfahrunterstüzung- Fahrzeug im Segelbetrieb halten (Geschwindigkeit halten)- Lastpunktverschiebung des Verbrenners- Boost (zusätzliches Drehmoment zur Beschleunigung)

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Funktionen

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Dienlich für:- 3S (Start Stopp - System)- Lastpunktverschiebung (verschiebt den Motorlastpunkt in einen

wirkungsgradtechnisch effizienten Bereich)- Rekuperation (Bremsen)

- Größenordnungen Rekuperation17-23 kJ/km

- Synchronisierung Motor / Getriebe- NVH-Verhalten (Noise, Vibration, Harshness)

Quelle: Daimler AG Bild: Schaeffler, Gesamtsystemmodellierung für Hybridfahrzeug

Schnüpke, et al., 2017, S. 14

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Funktionen

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Dienlich für:- 3S (Start Stopp)- Lastpunktverschiebung- Rekuperation (Bremsen)





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Funktionen

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Ablauf der Regelkreises zur Momenten-Addition für das Fahrerwunschmoment. 𝑣!"## …Fahrerwunschgeschwindigkeit [km/h]𝑣$!% …Momentangeschwindigkeit [km/h]𝑇&'(. …Benötigtes Moment [Nm]𝑇*+ …Moment Elektromotor (RSG) [Nm]𝑇,+ …Moment Verbrennungsmotor [Nm]

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Funktionen

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Auflasten: zu viel gestelltes Moment des Motors wird über den Generator in elektrische Energie umgewandeltAblasten: Stellt Verbrenner weniger Moment als das gewünscht kompensiert die Elektromaschine durch Momenten-AdditionWie viel jeweils abgelastet bzw. aufgelastet wird entscheidet hierbei das aktive geschwindigkeitsabhängige Lastkennfeld.

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Kennfelder

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in Anlehnung an Liebl, et al., 2014, S. 334

Die Auf- und Ablast-Kennfelder sind Geschwindigkeitsabhängig um stets einen großen Bereich der Batterie nutzen zu können. Der Übergang ist hierbei verschliffen und nicht wie dargestellt eine harte Grenze. Die Grafik zeigt den SOC (State Of Charge) über die Fahrzeuggeschwindigkeit. Eine hohe Kennzahl (Bsp. Ablasten 3) steht hierbei für ein starkes durchführen des jeweiligen Kennfelds.

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Funktionen

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Dienlich für:- 3S (Start Stopp)- Lastpunktverschiebung- Rekuperation (Bremsen)





ßBester Wirkungsgrad

ßSchlechter Wirkungsgrad

Verbrauch

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Weitere Möglichkeiten durch das 48V-Bordnetz

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Alle Funktionen Unabhängig von Motordrehzahl des VM- Elektrischer Klimakompressor- Elektrische Wasserpumpe- Elektrischer Zusatzverdichter (Bsp. E-Turboloader)- Lenkantriebe- Elektrische Wank Stabilisierung

Bildquelle: Ebay, Borg Warner, Schaeffler, BMWQuellen: Daimler AG & Vorlesung Rebholz


Rentabilität

+ Geringerer Spritverbrauch (0,2Liter/100km) vor Kunde

- Kosten müsse getragen werden ohne große Zusatzfunktionen (100€ bis 1500€)

- Keine oder nur wenige sichtbare Zusatzfunktionen („elektrisches“ Parken)

- Kein elektr. Fahrerlebnis

Für den Kunden:

Quellen: Bordnetze-HRSchaeffler

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Für den OEM:

+/- Einfluss auf die Zukünftige Flottenentwicklung

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Rentabilität

+ Einfache Implementierung+ Neue teilelektrische Funktionen

möglich+ CO2 Flottenreduktion

- Hohe MEK & Entwicklungskosten- Wettbewerbsnachteil durch

Parallelentwicklungen

Quellen: Bordnetze-HRSchaeffler48V HR48V BO

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Zulieferer

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„Nach Einschätzung […] führen diese Eigenschaften dazu, dass das Segment der P0-Mild-Hybride in den kommenden Fahrzeuggenerationen deutlich ansteigt. Für das Jahr 2030 wird für reine P0-Antriebe auf 48-Volt-Basis ein weltweiter Markt

von rund 20 Millionen Einheiten erwartet“ – Schaeffler 2019

Quellen: Marken-Webseiten

à Alle großen Zulieferer der Automobilindustrie

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Einsetzung RSG

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Einsetzung 12V RSG

Einsetzung 48V RSG kleine Motoren

Einsetzung 48V RSG große Motoren

Volkswagen Group -PSA (?)Toyota - - -Ford -Daimler -General Motors - (?)BMW Group -Renault Group - (?)Quelle: Volkswagen Newsroom, PSA, AutomotiveNews, Daimler AG, Ford Motors, General Motors, Renault Group Autophorie (BMW)

Definition:kleine Motoren <= 2 Liter Hubraumgroße Motoren > 2 Liter Hubraum

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FazitVorteile, Nachteile & Einschätzung

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Vorteile & Nachteile

Nachteile:- CO2 Einsparung limitiert- Momentbegrenzung (10-15kw)- Je nach Motor ein zusätzlicher Starter

Notwendig

Vorteile:- CO2 Reduzierung (-18%) bei

vertretbaren Kosten - Einfache Fahrzeugintegration

- Ideal zur Produktaufwertung - Keine Änderungen am Antriebsstrang- Keine Änderung am Riementrieb

- Unabhängiger Betrieb von Systemkomponenten

Quellen: Bordnetze-HRSchaeffler48V HR48V BO

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Entwicklung

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Entwicklung

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- Zusammenfassend:- RSG 12V nur noch selten vertreten- RSG 48V nimmt in den kommenden Jahren stark zu- Anteil der P2 Konfiguration (ISG) nimmt durch zunehmende HV-

Hybridisierung zu.- Setzt sich HV gegenüber dem Verbrenner durch, hat auch der RSG samt

48V es schwer. Quellen: Bordnetze-HRSchaeffler48V HR48V BO

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für Ihre AufmerksamkeitVielen Dank

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Quellen-Bildquellen:

31

- Media.Daimler: https://media.daimler.com/marsMediaSite/de/instance/picture/Riemengetriebener-Starter-Generator-RSG.xhtml?oid=11123442 (aufgerufen 02.06.2020)

- A-I-Shop: https://www.a-l-shop.de/5585-Lichtmaschine-Bosch-0121715103-VOLKSWAGEN-SKODA-180A-12V.html

- Volkswagen Golf 8 – Mild Hybrid: https://www.volkswagen-newsroom.com/en/stories/the-new-golf-with-48v-technology-5004 (aufgerufen 02.06.2020)

- 48-Volt-Bordnetz – Schlüsseltechnologie auf dem Weg zur Elektromobilität (ZVEI)- https://www.delphi.com/innovations/48-volt-mild-hybrid (aufgerufen 17.06.2020)

- http://www.brand.bosch.com (aufgerufen 17.06.2020)- https://press.zf.com/press/en/media/media_1933.html (aufgerufen 17.06.2020)

- https://www.delphi.com/themes/contrib/delphi_base/images/logo_black.svg (aufgerufen 17.06.2020)- https://www.valeo.com/en/ (aufgerufen 17.06.2020)- https://www.khl.com/international-cranes-and-specialized-transport/eturbo-turbocharger/140243.article

(aufgerufen 02.06.2020)

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Quellen-Bildquellen:

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- https://www.continental.com/resource/blob/2568/23b172d39759fd4f3a67f9df08cbeccd/icon-i-logo-svg-data.svg (aufgerufen 17.06.2020)

- http://seekvectorlogo.com/borgwarner-vector-logo-svg/ (aufgerufen 17.06.2020)

- https://brandportal.vitesco-technologies.com (aufgerufen 17.06.2020)- https://www.audi-mediacenter.com/en/audimediatv/video/audi-q7-air-suspension-with-electromechanical-

active-roll-stabilization-animation-4734 (aufgerufen 02.06.2020)- https://www.bolha.com/podvozje-avto-deli/volanska-letev-s5120031-bmw-serije-1.3-oglas-1779242

(aufgerufen 02.06.2020)

- Bosch4: https://www.bosch-presse.de/pressportal/de/media/migrated_download/de/BRS_Broschuere_RZ_de.pdf

- FMT: https://www.future-mobility-tech.com/de/technologien/elektrisches-fahren- Autozeitung: https://www.autozeitung.de/mega-test-die-100-sparsamsten-autos-verbrauchs-vergleich-

66107.html

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Quellen-Literatur-Quellen:

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- Bordnetze HR: „Vorlesungsunterlagen & Youtube-Reihe: Bordnetze moderner Kraftfahrzeuge“ – Rebholz2020

- 48V HR: „48V Bordnetzsysteme - Die nächste Generation der Spannungsversorgung?“ – Rebholz

- 48V BO: „48 Volt Technology - For more efficiency and fun to drive“ - Bernhard Klein, Oliver Maiwald, ISBN 978-3-86236-102-1

- Bosch 1: „Das Boost Recuperation-System: schneller beschleunigen mit mehr Komfort und weniger Verbrauch“ – Robert Bosch GmbH

- Schaeffler Symposium: „Mobility for tomorrow – Schaeffler Symposium 2018“ - Schaeffler Technologies AG & Co. KG (2018)

- Schaeffler1: „Der Riemengetriebene Startergenerator (RSG)Eine innovative Funktionserweiterung des Nebenaggregatetriebes“ - Schaeffler Technologies AG & Co. KG (2004)

- ZVEI: „48-Volt-Bordnetz – Schlüsseltechnologie auf dem Weg zur Elektromobilität“ - ZVEI -Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e.V. (2015)

- Schnüpke, H., Maass, T., Rehberger, A., May, M., Schmitt, J.-C., Zimmer, S., . . . Trochet, P. (2017). 26th Aachen Colloquium Automobile and Engine Technology 2017.

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Quellen-Internetquellen:

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- Bosch2: https://www.bosch-mobility-solutions.com/de/produkte-und-services/pkw-und-leichte-nutzfahrzeuge/antriebssysteme/hybridisierungslösungen-mit-48-v-systemen/48-v-elektrisches-power-pack-p4-modul/ (aufgerufen 02.06.2020)

- Bosch3: https://www.bosch-mobility-solutions.com/de/produkte-und-services/pkw-und-leichte-nutzfahrzeuge/antriebssysteme/elektroantrieb/48v-batterie/ (aufgerufen 02.06.2020)

- Wikipedia: https://de.wikipedia.org/wiki/Startergenerator- Autophorie: https://autophorie.de/2020/05/20/bmw-520d-xdrive-touring-test-mild-hybrid/ (aufgerufen

17.06.2020)

- Schaeffler2: https://www.schaeffler.com/remotemedien/media/_shared_media/08_media_library/01_publications/schaeffler_2/technicalpresentation/downloads_20/fv_20040615_riemstart_de_de.pdf (aufgerufen 03.06.2020)

- Schaeffler3: http://schaeffler-events.com/kolloquium/lecture/h2/index.html (aufgerufen 03.06.2020)- Daimler AG: https://media.daimler.com/marsMediaSite/de/instance/ko/Road-1-Dieselmotoren-

Ottomotoren-ISG-und-RSG-48-Volt-Bordnetz-Hocheffiziente-Verbrennungsmotoren-Alles-neu-beim-Alten.xhtml?oid=11108680 (aufgerufen 03.06.2020)

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Quellen-Internetquellen:

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- Chevrolet: https://media.gm.com/media/cn/en/gm/news.detail.html/content/Pages/news/cn/en/2020/May/0511_Chevrolet.html (aufgerufen 25.06.2020)

- AutomotiveNews: https://translate.google.com/translate?hl=de&sl=en&u=https://europe.autonews.com/article/20170923/ANE/170929892/vw-psa-volvo-others-adopt-48-volt-mild-hybrids-in-response-to-diesel-decline&prev=search&pto=aue (aufgerufen 25.06.2020)

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